Un approfondimento sulle tecnologie laser attualmente impiegate sui vari Computer to Plate flexo presenti sul mercato.
Le tipologie di laser attualmente utilizzate sui CTP flexo in commercio sono essenzialmente due: la prima utilizza sistemi ottici di “conversione di lunghezza d’onda” (laser in fibra, laser YAG), la seconda, invece, utilizza sistemi ottici di “modellazione del raggio laser” (Multi-Diodi Array). Entrambe le tecnologie impiegano laser a diodi come sorgente di emissione.
Al riguardo è utile ricordare (semplificando) che ogni sistema di esposizione laser può essere suddiviso in tre componenti principali: la sorgente di emissione del raggio, il sistema ottico di conversione della lunghezza d’onda e/o di modellazione del raggio, le ottiche di messa a fuoco (figura 1).
Condizioni per la qualità
Il numero di fasci
La tecnologia migliore per la flexo digitale utilizza un’architettura a cilindro esterno, con un sistema di esposizione laser a fasci multipli (multi-beam) in grado di eseguire l’ablazione della maschera nera in modo accurato e assolutamente costante nel tempo. Infatti, tutti i costruttori di CTP flexo cercano di impiegare il maggior numero di fasci laser simultanei allo scopo di massimizzare i vantaggi della tecnologia multi-beam. Attualmente i CTP che impiegano laser a “conversione di lunghezza d’onda” arrivano a un massimo di 8 fasci attivi simultaneamente, mentre i sistemi a “modellazione del raggio laser” possono arrivare fino a 64 fasci attivi simultaneamente: un valore ben 8 volte superiore!
L’importanza di esporre con il maggior numero di fasci possibile è strettamente legata alla necessità di limitare la velocità di rotazione del cilindro al fine di garantire qualità, ripetibilità, precisione, accuratezza, produttività e affidabilità del sistema. Infatti, il raggiungimento di elevati standard qualitativi richiede un’esposizione accurata e costantemente ripetibile: entrambe strettamente correlate alla stabilità meccanica del CTP, la quale, a sua volta, è inversamente proporzionale alla velocità di rotazione del cilindro.
Il profilo dell’energia
Altro fattore che influenza la qualità e ripetibilità dell’esposizione è la capacità di ogni singolo fascio laser di rimuovere completamente lo strato di maschera nera dal fotopolimero digitale, operazione che rappresenta il principale obiettivo del raggio. E non tutti i raggi sono uguali.
Un fascio laser con profilo di energia di forma “gaussiana”, infatti, non è in grado di garantire accuratezza e ripetibilità nell’ablazione della maschera, perché la quantità di energia termica non risulta equamente distribuita su tutta la superficie dello spot, ma si concentra al centro del punto e decresce verso i suoi bordi. Nella figura 2 si mostra la differenza tra un raggio con profilo di energia gaussiano (a sinistra) e uno con profilo di energia “quadra” (a destra).
La tipologia di laser a “conversione di lunghezza d’onda” (lo ricordiamo: vi appartengono i laser in fibra e i laser YAG) emette, per l'appunto, un fascio di forma gaussiana, mentre i sistemi a “modellazione del raggio laser” (Multi-Diodi Array) sono in grado di “modellare” il profilo di energia del raggio, in modo che la quantità di calore (energia termica) risulti equamente distribuita su tutta la superficie del punto (figura 3: da sinistra, laser in fibra, laser YAG e laser a diodi).
La velocità di rotazione del cilindro
Un’altra variabile di rilievo è rappresentata dal corretto ancoraggio della lastra sul cilindro durante la fase di esposizione, dove la possibilità di problemi aumenta proporzionalmente alla velocità di rotazione del cilindro stesso e al peso della lastra.
Infatti, una lastra può staccarsi dalla superficie del cilindro quando la forza del vuoto sia insufficiente a trattenerla; in altre parole, a causa della forza centrifuga prodotta dalla rotazione, la lastra tende a decollare dal cilindro. Questo distacco, che può essere anche solo parziale, può alterare la corretta esposizione della lastra.
L’utilizzo di una tecnologia multifascio (multibeam) consente di esporre mantenendo una bassa velocità di rotazione del cilindro che, ovviamente, riduce drasticamente la forza centrifuga esercitata sulla lastra ed elimina di conseguenza ogni rischio di distacco dal cilindro. Il che, a sua volta, si traduce in qualità e ripetibilità.
Alla velocità di rotazione del cilindro è anche direttamente legata l’ottimizzazione dei formati lastra. Un CTP flexo con una bassa velocità di rotazione del cilindro, infatti, consente di caricare lastre di qualsiasi formato senza dover necessariamente coprire l’intera circonferenza del cilindro, evitando sprechi di materiale.
La bassa velocità di rotazione del cilindro consente inoltre di caricare qualsiasi formato lastra senza dover mascherare la parte vuota del cilindro per concentrare il vuoto sull’area dove è presente la lastra. Questo riduce i tempi di carico e scarico delle lastre e aumenta drasticamente la produttività e la flessibilità del CTP.
Infine, un’ultima nota: la tecnologia di esposizione multifascio e la ridondanza dei diodi laser nel Multi-Diodi Array consente una corretta esposizione, anche in caso di accidentale spegnimento o rottura di uno o più diodi singoli. Questa importante caratteristica aumenta l’affidabilità del sistema e riduce notevolmente i tempi e i rischi di fermo macchina.
Altro sul Multi-Diodi Array
In risposta a un quesito che ricorre di frequente, è necessario sottolineare che la tecnologia Multi-Diodi Array non è stata progettata specificatamente per CTP offset e, solo successivamente, riadattata per esporre fotopolimeri flexo digitali. Si tratta infatti di due sistemi con sostanziali differenze progettuali e costruttive.
E’ doveroso inoltre sfatare altri “luoghi comuni”, relativi alle prestazioni del Multi-Diodi Array.
• In primo luogo che questa tecnologia non offra una “profondità di campo” sufficiente a garantire un fuoco perfetto all’interno dei normali valori di tolleranza sugli spessori lastra dichiarati dai produttori.
Le lastre flexo digitali sono prodotte rispettando tolleranze molto restrittive sullo spessore finale: le specifiche FTA richiedono una tolleranza di +/-20 micron sullo spessore dichiarato e, normalmente, i principali produttori di lastre flexo digitali garantiscono valori medi di +/-12 micron.
In particolare, i CTP con tecnologia Multi-Diodi Array coprono ampiamente questi valori di tolleranza (e oltre), con una profondità di campo sufficiente e/o con sistemi di “Auto-focus dinamico” in grado di adattare ogni singolo fascio all’effettivo spessore della lastra (rilevato direttamente da un laser guida che precede l’esposizione).
• Prendendo poi in esame il valore considerato ottimale relativo alla densità minima (Dmin, ovvero misura della trasparenza, al passaggio della luce, di una lastra dove sia stata eseguita un’ablazione totale della maschera nera) su una lastra flexo digitale dopo il processo di ablazione, si pensa che la tecnologia Multi-Diodi Array non possa raggiungere valori di ablazione inferiori a 0.10.
Tuttavia, accurati test di laboratorio hanno provato che non esiste vantaggio alcuno nel processare lastre flexo con valore Dmin inferiore a 0.10: valori più bassi non determinano alcun miglioramento nel profilo del punto sulla lastra flexo finita.
La tecnologia Multi-Diodi Array è comunque in grado di lavorare con valori di Dmin pari a 0.07 e, volendo, permette anche di abbassare ulteriormente i livelli, semplicemente aumentando la potenza dei fasci Laser.
Si tratta, tuttavia, di un’operazione che non produce alcun beneficio sul prodotto finale in quanto, come già detto, valori inferiori a 0.10 non modificano il risultato del processo della lastra.
Michele Pioli
Packaging sales specialist Creo Italia
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Lasers for flexo
This article sheds light on the laser technologies currently used on various Computer to Plate flexo on the market. Michele Pioli
There are basically two types currently used on CTP flexo in use today: the first uses "wavelength conversion" optics (fibre and YAG lasers); and there are those with beam-shaping optics (Multi-Diode Array). Both these technologies use diode lasers as an energy source.
Here it's worth remembering that (simplifying things) every laser exposure system can be split into three main components: a light source, the optical wavelength conversion system and/or beam shaping, the focusing lenses (figure 1).
Conditions for quality
The number of beams
The best technology for digital flexo printing uses an external drum architecture with a multi-beam laser imaging exposure system capable of accurate and absolutely constant ablation of the black mask. In fact, all CTP flexo manufacturers try to use the greatest number of simultaneous laser beams in order to maximise the advantages of multi-beam technology. At present, CTP presses using "wavelength conversion" laser systems offer max 8 active beams at any one time, while "laser beam shaping" systems can reach 64 active beams at the same time: 8 times more!
The importance of being able to expose the highest number of beams possible is directly linked to the need to limit drum speed in order to guarantee quality, repeatability, precision, accuracy, productivity and system reliability. In fact, if one wants to reach high standards of quality, one needs accurate, constantly repeatable exposure: both closely linked to the mechanical stability of the CTP, which in turn is inversely proportional to the drum rotation speed.
Energy profile
Another factor that affects the quality and repeatability of exposure is the capacity of each laser beam to remove the black mask layer from digital photopolymer completely, the primary objective of laser imaging being to ensure clean removal of the mask. And not all beams are equal.
A laser beam with a “gaussian” energy profile for instance, can't guarantee accuracy and repeatability in removing the mask, as the quantity of thermal energy isn't evenly distributed across the surface of the spot, but concentrates in the centre and decreases towards the edges. Figure 2 shows the difference between a beam with a gaussian energy profile (left) and one with a "square" energy profile (right).
A "wavelength conversion" laser (NB: fibre and YAG lasers) emits a gaussian beam, while Multi-Diode Array systems can “model” the energy profile of the beam so that the amount of heat (thermal energy) is equally distributed across the full surface of the spot (figure 3: from left, fibre laser, YAG laser and diode laser).
Drum rotation speed
Another important variable is the correct anchorage of the plate on the drum during exposure, where the risk of problems increases in proportion to the speed at which the drum turns and the weight of the plate.
In fact, this can cause plate lift-off from the surface of the drum when there isn't enough vacuum force to hold it in place; in other words, due to the centrifugal force produced by rotation, the plate tends to detach itself from the drum. This detachment (which can also be just partial) can alter the correct exposure of the plate.
The use of a multi-beam technology lets one expose at slow drum rotation speeds and thus, obviously, cut the centrifugal force on the plate substantially and so eliminate all risk of plate/drum fly-off. This, in turn, makes for improved quality and repeatability.
Plate shape optimising is also directly linked to the drum rotation speed. A CTP flexo press with a low drum rotation speed allows the use of plates of any size without having to cover the entire circumference of the drum hence enabling avoidance of waste.
A slow drum speed also lets one load plates of any size without having to mask the empty section of the drum to concentrate the vacuum on the area covered by the plate. This thus makes for faster loading and unloading of the plates and dramatically increases throughput and CTP flexibility.
Finally, multi-beam exposure technology and the redundancy of laser diodes in Multi-Diode Array systems allows for correct exposure, even if one or more diodes are accidentally switched off or break. This important feature increases the reliability of the system and noticeably cuts machine down times and the risks of machine stops.
Other info on Multi-Diode Array
In answer to a FAQ, one need highlight that Multi-Diode Array technology has not been specifically designed for CTP offset and, only after its creation, readapted to expose flexo digital photopolymers. These are in fact two systems with substantial constructive and design differences. As well as that one has to dispel “clichés” relative to the performance of Multi-Diode Arrays.
• In the first place this technology does not offer sufficient “depth of field” to guarantee a perfect focus within the normal tolerance values covering the plate thicknesses declared by the producers.
Digital flexo plates are produced in line with very strict tolerances concerning the final thickness. FTA specifications require a tolerance of +/- 20 microns in the declared thickness and, normally, the main producers of digital flexo plates guarantee average values of +/- 12 microns.
More specifically, CTP systems with Multi-Diode Array technology easily cover the tolerance range (and beyond), with sufficient depth of field and/or “dynamic auto-focus” systems that adapt each beam to the effective thickness of the plate (read directly by a guide laser before exposure).
• Thus examining the value considered optimum for the minimum density (the Dmin measurement reads the transparency of the plate with the passage of light after total ablation of the black mask) on a flexo digital plate after the process of ablation, it is deemed that Multi-Diode Array technology cannot attain ablation rates lower than 0.10. All the same lengthy, careful lab tests have shown that there's no point in processing flexo plates with a Dmin value of less than 0.10: lower values offer no improvement in the spot profile on the finished flexo plate.
Multi-Diode Array technology can, however, work at Dmin values of 0.07 and, should one want to, can also be made to reach lower values by simply increasing the power of the laser beam. This is, in any case, an operation that doesn't lead to any benefits for the finished product because, as we've already said, values of less than 0.10 don't affect the result of the plate process.
Michele Pioli
Packaging sales specialist Creo Italia
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